V živem zgoščenem mediju obstajajo posebni fazni prehodi • Igor Ivanov • Znanstvene novice o "Elementih" • Fizika, ekologija

V živi kondenzirani snovi obstajajo posebni fazni prehodi.

Sl. 1. Ostro obarjanje "živih kondenziranih snovi" z zmanjšanjem aktivnosti pod kritično vrednostjo. Posamezne palice kažejo različne točke v času, koncentracija delcev je barvno kodirana. Dno 5% celotne globine rezervoarja ni prikazano za udobje barvnega kodiranja. Sl. iz zadevnega členaPisni pregledi fizike

Britanski fiziki, ki so zgradili in preučili model »živega kondenziranega medija«, so v njej našli značilne fazne prehode. Ta teoretični konstrukt je lahko koristen pri opisovanju kolonij mikroorganizmov v resničnih naravnih ekosistemih.

V naravi pogosto obstajajo sistemi, ki obsegajo ogromno število podobnih predmetov, ki medsebojno komunicirajo po nekaterih preprostih zakonih. Zaradi interakcije med predmeti se celoten sistem začne zanimati, včasih nepričakovano. Takšni sistemi (ti se imenujejo kondenzirani mediji) so lahko zelo raznoliki: so navadne snovi (to je le niz molekul), tekočih medijev, prometnih tokov in celo panike. Toda vsi imajo eno univerzalno lastnost: v njih obstajajo fazni prehodi – dramatične transformacije sistema kot celote, ki jih povzroča gladka sprememba zunanjih pogojev.

V članku angleških fizikov nedavno objavljeni v reviji Pisni pregledi fizike, opisuje drug kondenziran medij in nov tip faznega prehoda v njem. Je "Življenjski kondenzirani medij"sestavljeni iz delcev (npr. bakterij), ki se lahko pomnožijo in umrejo. Teoretični izračuni Britancev so pokazali, da je "živahnost" takega sistema mogoče obravnavati kot nov fizični parameter, nato pa njegovo vedenje lahko opišemo z metodami fizike kondenzirane snovi.

V določenem modelu, ki ga obravnavajo avtorji, je bila preučena suspenzija delcev v vodi. Vsak delec (bakterije) pod vplivom Brownijevega gibanja lahko naključno bije v tekočini. Za "živo" delce pa naj bi bilo to gibanje veliko bolj intenzivno kot za "mrtvo" (to potrjujejo poskusi opazovanja resničnih bakterij). Poleg tega je bila upośtevana zmožnost delitve ali umiranja delcev. Verjetnosti teh dogodkov naj bi bile odvisne od koncentracije delcev na določenem mestu: večja koncentracija, manj verjetno je bila delitev in verjetnejša – smrt.Na koncu je bil celoten sistem v enotnem gravitacijskem polju, tako da je gibanje navzdol vedno bolj verjetno kot gibanje navzgor.

Evolucijo dobljenega modela smo postopoma analizirali na diskretni prostorski rešetki. Prvič, potek koraka je bil izveden, nato pa je z nekaj verjetnostjo prišlo do stopnje delitve ali smrti. Verjetnost dogodka delitve / smrti v enem gibanju je bila ravno fizični parameter, ki je označeval "živahnost" kondenziranega medija.

Numerična simulacija je pokazala, da če je parameter "življenja" majhen, se sistem obnaša kot suspenzija navadnih, neživih delcev. V tem stanju se delci pod vplivom gravitacije nagibajo na dno in se rahlo nihajo v bližini zaradi Brownijevega gibanja. Porazdelitev globin v tem primeru je prikazana na sl. 2, na levi strani. (Mimogrede, zakon distribucije neživih delcev v globino je najprej izpeljal nič drugega kot Albert Einstein.)

Sl. 2 Porazdelitev koncentracije delcev v globino ("0" na vodoravni osi – dno, "1" – površina). Na levi strani: nizko aktivne delce, ki so pod vplivom teže poravnane na dno; na desni: dovolj aktivni delci so enakomerno porazdeljeni skoraj v celotnem rezervoarju. Sl. iz zadevnega členaPisni pregledi fizike

S postopnim povečevanjem "živahnosti" se je celotna slika prvič ne spremenila, čeprav se je spodnji del, napolnjen z delci, počasi povečal. Vendar, ko je "živahnost" presegla kritično vrednost, se je zgodilo ostro prestrukturiranje sistema. Kolonija delcev je "rasla" iz spodnjega območja in enakomerno napolnila skoraj celotno telo vode (slika 2, desno). Resnična stvar se je dogajala v sistemu. fazni prehod, ki ga povzroča "živahnost" okolja. Treba je poudariti ostrino tega prehoda: bodisi zaprto ozko spodnjo površino ali – celotno telo vode; ni stabilnega "polovičnega" stanja.

Za jasnejše razumevanje tega preoblikovanja so se avtorji preselili iz numeričnega modeliranja v analitične enačbe. Odpravili so jih, ugotovili so, da je vzrok tega pojava v spopadanju med dvema hitrostoma – hitrostjo sprednje kolonije (navzgor) in hitrostjo odlaganja delcev (navzdol) pod vplivom gravitacije. V neaktivnem okolju je bil propagacijski val počasen in enostavno ni imel časa iti gor.V aktivnem življenjskem okolju se je reprodukcijski val, nasprotno, tiho dvignil proti težnosti skozi celotno vodno telo. Na sliki. Slika 1 prikazuje razvoj časa reverznega procesa – ostro precipitacijo živega zgoščenega medija, katerega "živahnost" je bila pod mejno vrednostjo.

Tako nenadne fazne prehode je mogoče poskusiti opazovati v poljskem eksperimentu. "Živahnost" kolonije bakterij je mogoče nadzorovati s spreminjanjem, na primer temperature ali koncentracije hranil. Ob istem času se lahko pričakuje, da bo eksplozivna rast kolonije zunanjemu opazovalcu popolnoma nepredvidljiva, tudi z gladko spremembo v zunanjih razmerah. Možno je, da se podobni pojavi pojavljajo v resničnih naravnih ekosistemih.

Avtorji dela navidezno omenjajo smernice za nadaljnje raziskave. Življenje kondenzirane snovi zahteva hranila in energijo za aktivno gibanje in razmnoževanje. Torej lahko poskusite zgraditi termodinamiko takšnega nenavadnega okolja. Upoštevate lahko tudi hidrodinamični vidik – ker bo z visokimi koncentracijami bakterij v tekočini prišlo do nepravilnih mikrotokov, kar bo imelo nasprotni učinek na bakterije.Tako se v fiziki kondenziranega stanja snovi pojavlja nov zanimiv model, ki bo koristno za študij z različnih strani.

Vir: C. Barrett-Freeman in sod. Nespremerna faza prehoda v sedimentacijo delcev reprodukcije // Pisni pregledi fizike 101, 100602 (5. september 2008). Celotno besedilo članka je prosto dostopno v arhivu e-print (arXiv: 0805.4742).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: